《变频器世界》应用方案 | 飞仕得科技:1140Vac中压三电平逆变IGBT驱动新方案

变频器世界2021-02-22 09:49:03

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摘要

1140Vac逆变器/变频器广泛应用于轨道交通牵引,地铁馈能[1],中压变频等行业,近年来随着“更高功率密度,更低系统成本”的发展需求,基于1700V EconoDUAL™封装模的NPC I型三电平方案开始广泛应用起来。相比较传统的两电平拓扑,NPC I型三电平系统更为复杂,主要存在IGBT内外管关断错误时序和内管关断尖峰过高的问题,给IGBT的驱动技术带来巨大的挑战。


本文重点阐述NPC I型三电平拓扑上述问题的机理,并基于Firstack新一代数字IGBT驱动器,给出了智能的解决方案:三电平模式、分级关断,大大提高基于1700V EconoDUAL™封装模NPCI型三电平中压逆变系统的可靠性。

1.引 言 

传统轨道交通牵引变流器, 地铁馈能变流器,中压变频器,广泛采用3300V的IHM封装模块的两电平拓扑方案,如图1(a)所示,该方案在技术层面应用已经相当成熟。但是随着近年来市场不断发展,对体积,成本要求越来越高,基于1700V/EconoDUAL™ 封装模块的NPC I型三电平拓扑方案开始广泛应用起来,参考示意拓扑如图1(b):

 


       该方案由3个EconoDUAL™ 封装模块构成一相NPC I型桥臂,其中模块A构成外管T1和钳位二极管D5;B模块构成内管T2和T3;C模块构成外管T4和钳位二极管D6。具有以下优势:

· 低成本:相比较IHM封装模块,EconoDUAL™模块价格低廉,可以大幅降低模块成本

· 高频化:EconoDUAL™适合高频应用,采用NPC I型拓扑进一步提高等效开关频率

· 体积小:该方案可以简化母排设计,结构更小,更紧凑;通过提高开关频率,大幅降低输出滤波器的体积


NPCI型三电平拓扑方案虽然有上述优势,但是在驱动技术层面存在两大技术难点:

1,内外管关断时序问题:任何情况下,外管优先于内管关断,尤其是在短路故障或者欠压故障情况下。

2,内管关断电压尖峰过高:由于拓扑结构比传统两电平复杂,内管存在大换流回路,实际模组设计母排杂散电感很大,很容易导致模块过压损坏。


2、NPC I型三电平拓IGBT驱动挑战

2.1 内外管的关断时序

如图2所示,在NPC I型三电平拓扑结构中,每相的功率器件一共有6个:4个IGBT(S1,S2,S3,S4),2个二极管(D5,D6)。4个IGBT不同的开关组合,可以组成不同换流模态,将S1~S4状态分别用0和1表示,0表示关断,1 表示开通;同时母线正电位为“+1”,母线负的电位为“-1”,一共有以下几种组合模态(假设电流流向向内),如表1。

上述表中可以看出,NPC I型三电平有5种模态,其中包括稳态C,6,3和过渡态4,2,其中C,6,3稳态遵循S1和S3互补,S2和S4互补原则。为了分析时序问题,我们取模态3,此时的S1~S4的状态为:0011,如图3a所示,S3和S4开通,电流由AC流向母线负,此时的AC点电位为“-1”。如果现在出现正常停机或者异常过流,先关内管S3还是先关外管S4?


图3b给出了先关外管(S4=0),此后电流通过D6流回到O点,AC电位为“0”,再关内管(S3=0),内管S3两端承受的为1/2VDC


图3c给出了先关内管(S3=0),此后电流通过D1,D2流回到母线正,AC电位为“+1”,再关外管(S4=0),内管S3两端承受的为VDC,模块会过压损坏。


基于上述分析,NPC I型三电平必须先关外管再关内管,无论是正常停机工况,还是异常工况,如欠压保护,短路保护等。

 

2.2 内管关断尖峰过高

如图4a所示,NPC I型半桥工作在模态6,S1~S4的开关状态:0110,电流由AC点通过S3,D6流到“O”点。此时切换到模态4,即S1~S4的开关状态:0100,则电流会由AC点通过D2,D1流到母线正,在S3关断的过程中,如图4b所示,整个换流路径经过C1,D1,S2,S3,D6器件,形成一个大换流回路,存在较大的杂散电感。而基于1700V EconoDUAL™封装模的NPC I型三电平方案采用3个EconoDUAL™封装模构成一相桥臂,模块之间采用叠层铜排连接,实际大换流回路需要经过模块以及相应的连接铜排,进一步增大杂散电感,根据系统实测,一般会到120nH,远远大于模块推荐的30nH要求,使得关断尖峰异常高,模块很容易过压失效。



3、NPC I型三电平数字IGBT驱动器

针对EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平应用的上述问题,Firstack开发了新一代即插即用数字IGBT驱动器:2FSD0115+B17-3L。该驱动器相对于传统的两电平主要具有以下功能:三电平模式和分级关断。可以有效解决内外管关断错误时序和内管关断尖峰过高的问题。


3.1 三电平模式

2FSD0115+B17-3L具有三电平模式。传统的两电平驱动模式,驱动板在检测到故障(短路或者欠压),会立即封锁PWM信号。三电平模式下,驱动板检测到故障(短路或者欠压),自己不立即封锁PWM,而是将故障信息上传到控制板,让控制板协调内外管的关断时序,控制板下发关断指令,驱动接收到关断指令再封锁PWM。三电平模式故障保护时序图如下:



在EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平方案中,2FSD0115+B17-3L驱动应用内管模块,可以确保短路或者欠压故障发生时,控制系统能优先关断外管。


3.2 分级关断技术

门极电阻对于IGBT的关断特性的影响是Rg越大,关尖峰也越小,为了解决内管关断尖峰的问题,比较好思路就是加大关断电阻。但是Rg增大同时会带来关断延时增加,关断损耗增加,会影响到整机的死区设置以及热设计。


分级关断技术利用了关断电阻对于IGBT关断特性的影响机理,基本的原理是将IGBT的关断过程分为三级,与传统的单个关断电阻值不同,在关断过程中不同时段会有三种不同阻值的关断电阻,如图6所示,R1,R2,R3由数字驱动器中的MCU控制具体在什么时刻投入到门极回路。



基于三级的关断过程,可以实现有效抑制电压尖峰的同时,兼顾关断延时和关断损耗,使得关断特性达到最优状态。


4、测试验证

为了验证相应的数字驱动技术,基于EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平方案的测试平台。模块型号:FF600R17ME4;驱动:2FSD0115+系列即插即用驱动器。具体构建的示意图如下所示,其中外管采用两电平版本:2FSD0115+B17,内管采用三电平版本:2FSD0115+B17-3L。



4.1 时序管理测试波形

为了验证短路工况下的时序管理,基于该三电平方案进行相应的短路测试,主回路如图8所示,做S3和S4的短路实验。实际测试波形如图9所示:

从测试波形上可以看出,内管(S3)先检测到短路,反馈给上位机后,上位机协调先关外管(S4)后关内管(S3)


4.2 分级关断测试波形

实验条件:采用英飞凌FF600R17ME4,测试内管S3带分级关断以及不带分级关断的电压尖峰VCE_MAX,波形如下所示



从对比测试结果来看,在同等实验条件下,不带分级关断的VCE_MAX=1630V,带分级关断的VCE_MAX=1330V,电压尖峰下降了近20%。


5、结论

Firstack的2FSD0115+B17-3L智能驱动器,具有三电平模式以及分级关断功能,可以有效解决基于EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平方案中关断时序问题和内管关断尖峰过大的问题,大大提高1140Vac三电平中压逆变系统的可靠性,具有广泛的应用前景。

方案拓展

 针对1140Vac中压三电平逆变器除了本文介绍的即插即用驱动产品2FSD0115+B17-3L,Firstack还有三电平专用数字驱动核:2FSC0435+A-3L,具有时序管理以及分级关断的功能,可以有效解决关断时序以及内管尖峰的问题,同时应用扩展更方便更灵活。详情请参考:官网产品说明书www.firstack.com


参考文献:

[1],湖南恒信电气有限公司,中铁电气化勘测设计研究院等.电阻-逆变混合型再生制动能量吸收装置挂网试验报告[R].广州,重庆2010.2~2010.8

[2] ,Firstack Technical documentation:2FSD0115+B17.pdf

 

作者简介:

洪磊 (1987- ) 男,硕士,杭州飞仕得科技有限公司产品总监。浙江大学电力电子专业毕业,曾就职于汇川技术,有多年电力电子产品功率设计以及IGBT驱动应用经验


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